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RÉSUMÉ
Les résonateurs diélectriques sont des éléments de base pour les circuits hyperfréquences comprenant des filtres, des oscillateurs. Cet article présente la fabrication des résonateurs diélectriques en commençant par la caractérisation de la permittivité, du facteur de qualité et de la stabilité thermique, continuant avec le procédé d’élaboration céramique. Ensuite des critères de sélection sont donnés, ainsi que des références du marché. L’origine physique de la permittivité du matériau est introduite avec des listes de matériaux et diagrammes chimiques. Il se termine par la mise en œuvre du résonateur diélectrique utilisé dans le mode TE01d , et des exemples d’oscillateur et de filtres.
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Pierre FILHOL : Ingénieur ESPCI - Exxelia Temex, Pessac, France
INTRODUCTION
Dans l’article [E1920], les résonateurs diélectriques ont été présentés en remplacement des cavités métalliques dans les circuits micro-ondes, comme éléments résonnants. Ils entrent dans la réalisation d’oscillateurs ou de filtres et sont employés suivant divers modes électromagnétiques de type TE, TM, TEM. Dans cet article, la caractérisation des propriétés des résonateurs diélectriques est donnée. Effectuée par le fabricant, elle lui permet d’améliorer ces propriétés au bénéfice de l’utilisateur, soit : permittivité élevée pour une plus grande miniaturisation, facteur de qualité élevé pour l’obtention d’une haute pureté spectrale d’un oscillateur ou un minimum de pertes d’insertion d’un filtre, coefficient de température ajustable. Cela se fait par l’étude des compositions chimiques et du procédé céramique comprenant le mélange intime des éléments, matières premières, oxydes ou carbonates pulvérulents, cela en général par voie liquide, puis les conditions de frittage, dont les températures et l’atmosphère oxydante. Les formulations qui sont présentées ont été déterminées à partir d’oxydes simples comme l’alumine Al2O3 ou l’oxyde de titane TiO2 de permittivité respectivement ~10 et ~100, et d’autres oxydes de baryum, zirconium, étain, tantale, niobium, terres rares comme le samarium, le néodyme, etc. Ces formulations non triviales permettent d’avoir un bon compromis entre une stabilité thermique en fréquence améliorée, de quelques 10–6/K, et des pertes diélectriques suffisamment faibles, inférieures à 10–3 ou, en équivalence, des facteurs de qualité supérieurs à 1 000 jusqu’à des dizaines de milliers. Quelques éléments de mise en œuvre dans les circuits sont donnés.
L'expertise technique et scientifique de référence
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- Version archivée 1 de nov. 2004 par Pierre FILHOL
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8. Conclusion
Les résonateurs diélectriques sont l’objet d’une part de recherches de compositions et procédés en matériaux, d’autre part de mise en forme pour répondre à des nouvelles modélisations de filtres hyperfréquences. À haute fréquence au-delà de 10 GHz, les matériaux qui ont intrinsèquement des pertes plus élevées, sont améliorés pour viser des produits de facteur de qualité par la fréquence, Q x f, supérieurs à 200 THz. Aux fréquences basses, pour des solutions de filtrage (stations de base de radiotéléphone par exemple), les demandes en facteur de qualité du résonateur ou de pertes diélectriques sont plus variées suivant le mode de résonance ou le niveau de puissance de l’application. En mode TEM, les facteurs Q sont de l’ordre de 1 000 pour de faibles puissances et une miniaturisation maximale. En mode TE, les facteurs Q sont de 10 000 à plus de 20 000 suivant la puissance. En mode TM, le cas est intermédiaire entre les deux autres modes. Enfin les applications pour les oscillateurs (réception de télévision par satellite, alarmes…) requièrent une flexibilité en coefficient de température de 0 à plus de 15 ppm/°C pour adapter le résonateur à l’élément actif du circuit. Dans tous les cas la linéarité du comportement en température de la fréquence est appréciée ainsi que sa tolérance autour de ± 1 ppm/°C.
Les résonateurs diélectriques doivent être produits au coût minimal. Ce coût comprend le coût de la matière première et celui du procédé. Si les matières telles les oxydes de titane, étain, aluminium, zirconium peuvent être peu onéreuses, il n’en est pas de même des terres rares ou du tantale, ou encore du gallium. L’impact de la matière première est plus sensible si la pièce est plus volumineuse, donc pour les applications basses fréquences (filtres radiotéléphone). Cela peut donc impliquer un compromis avec le facteur de qualité.
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - HAKKI (B.W.), COLEMAN (P.D.) - A dielectric resonator method of measuring inductive capacities. - IRE Trans MTT, no 8, p. 402-10, juil. 1960.
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(2) - COURTNEY (W.E.) - Analysis and evaluation of a method of measuring the complex permittivity and permeability of microwave insulators. - IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, MTT-18, no 8, août 1970.
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(3) - KOBAYASHI (Y.), KATOH (M.) - Microwave measurement of dielectric properties of low-loss materials by the dielectric rod resonator method. - IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, MTT-33, no 7, p. 586-592, juil. 1985.
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(4) - KOBAYASHI (Y.), TAMURA (H.) - Round robin test on a dielectric resonator method for measuring complex permittivity at microwave frequency. - IEICE TRANS. ELECTRON., n° E77-C. 6 June, p.882-886 (1994).
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(5) - PLOURDE (J.K.), LINN (D.F.), O’BRIAN (H.M.), THOMSON (J.) - Ba2Ti9O20 as a microwave dielectric resonator. - J. Am. Ceram. Soc. 58, n° 9-10,...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
-
Normalisation des matériaux et résonateurs diélectriques pour filtres et oscillateurs - Projet de norme 49 (sec) 268 -
Laboratoires – Bureaux d’études – Écoles – Centres de recherche (liste non exhaustive)
Laboratoire Universitaire des Sciences Appliquées ( http://www.chbg.unicaen.fr/lusac)
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